成果研究的背景、意义及主要内容
背景及意义
煤矿智能化作为我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，已成为行业广泛共识，应用机器人将工人从繁重危险的地下开采作业中解放出来是实现煤矿智能化的重要途径和根本目标。2019年10月，原国家煤矿安全监察局出台了《煤矿机器人重点研发目录》，煤矿机器人研发进入快车道； 2021年11月，工信部和国家矿山安全监察局联合发出了《关于面向矿山领域征集机器人典型应用场景的函》，向矿山领域征集一批机器人典型应用场景，形成一批可复制、可借鉴的成果并加强推广应用，煤矿机器人应用再次按下加速键。
当前，煤矿机器人在固定场所巡检、复杂环境作业、流程化生产等关键场景发展相对成熟；受限于作业环境复杂及防爆等特殊要求，在各类辅助岗位上还缺乏相关机器人进行辅助操作或换人作业，而这些岗位目前在煤矿生产过程中用工人数最多、劳动强度最大、环境最恶劣。机器人集群项目围绕采掘工作面、辅助作业岗位进行重点突破，在全矿井进行机器人集群的研发及工程应用，实现关键作业岗位机器人换人、恶劣环境减人，降低安全风险，推进全矿井、全环节、全过程的智能化作业。柠条塔矿业公司是国家安全高效特级矿井，以建设“世界一流，中国领先”的智能化强矿为愿景。致力于打造“智能化生产决策控制+井下机器人操作”为特色的智能化煤矿。2020年10月，陕煤集团组织召开了《智能化煤矿机器人集群研发与示范》项目方案评审会，包括刘峰会长、王国法院士等多位领导专家，对项目给予了指导。2021年产能从1 800万t核增到2 000万t，新形势下，无法再通过简单增加人数来实现产量的增加，由此带来的生产、安全管理压力亟需破解。在此背景下，柠条塔矿业公司加快了机器人集群的建设应用进程。
主要内容
柠条塔矿业公司凝练出“4311”智能化矿井建设模式，以采掘及辅助系统智能化、智慧生活园区建设为基础，聚力打造煤矿机器人群，按照“一个平台、多种机器人”即1+N 的方式进行建设。经对标梳理，《煤矿机器人重点研发目录》5类38种机器人中，柠条塔矿业公司涉及到的有30种；项目分期建设，一期机器人种类覆盖了重点研发目录的40%，三期完成后重点研发目录的达标覆盖率达80%以上；采取“专项研发”和“集成应用”分类攻关模式，对辅助作业机器人进行重点攻关。目前，已完成了一期建设内容，二期已全面开展，三期进入规划阶段。一期主要内容如下：
（1）智能化综合管控与机器人集群协同调度平台
基于“一支撑一平台六中心”的应用架构， 以智能矿山基础平台及煤炭工业大数据为数据底座，以机器人集群协同调度为特色，融合煤矿安全、生产等数据，通过统一的数据流、信息流及业务流，建立机器人集群协同调度（图1）、安全保障、生产协同、综合管控、精准运维等应用中心， 打通了煤矿“横向协同、纵向贯通”的安全生产管理体系，实现安全生产“管控”一体化。
图1 机器人集群调度平台
针对煤矿机器人集群构建生产协同体系和逻辑模型，实现了多机器人之间的联动作业过程在多约束条件下的最优解，在统一平台中实现机器人作业协同、巡检调度、充电管理；在多维度数字孪生空间下，映射真实现场的环境、设备状态，实现对机器人实体逆向优化的远程控制，达到基于实时数据驱动的智能管控与作业指导。
（2） 采煤工作面机器人高效协同
智能采煤机器人群通过对高效截割工艺、截割路径智能规划、液压支架组合式敏捷高效供液系统、采煤机器人群精准执行机构以及工作面巷道超前支护机器人研究（图2），实现了工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机及超前支架等设备自主运行、多机协同联动作业。
图2 超前支护机器人
（3） 巷道辅助作业机器人
喷浆机器人包括上料和喷浆2部分（图3）， 上料取料机和喷射机的一体化设计，具备巷道喷浆过程的自动上料、自主轨迹规划与自动喷涂功能。新型喷嘴机构，保证浆液均匀覆盖，有效减少物料回弹，提高喷浆强度；基于二维雷达的点云生成处理技术，生成点云更准确，分布更均匀，喷头与受喷面保持一定距离，进一步减少回弹率；基于多传感器融合导航技术，保证机器人自主纠偏，沿巷道中线喷浆。
图3 喷浆机器人
管道安装机器人基于液压机械臂精准控制技术（图4），提出了管路识别定位及研究液压机械臂压力反馈联动控制方法，保障管路牢固抓取根据基于多视觉传感器的煤矿巷道场景多元信息拼接算法；利用外参计算实现RGB图像、点云的多元信息拼接融合，从而自动分辨出目标物体的位置信息；建立多维特征空间对目标进行全局特征描述， 基于投影映射关系实现目标关键点的抓取，实现机器人精准作业。
图4 管路安装机器人
巷道修复机器人将巷道修复设备手动液压手柄改为电磁阀控制（图5），采用轨迹规划算法， 实现液压臂闭环控制以及轨迹跟踪，具备巷道修复设备自动铣挖矩形密封槽的功能；巷道修复设备增加安全避障，网络摄像仪、遥控器和传感器等设备，具备远程监控现场施工环境功能。
图5 巷道修复机器人
关键技术突破与创新
（1） 创新研发了智能化煤矿机器人集群管控平台，实现全矿多源异构数据集成与跨域融合， 首次实现煤矿机器人集群运行与矿井作业一体化管控，打通机器人个体间信息交互壁垒，破解了井下机器人动力系统虚实映射与智能控制的数字孪生难题。
（2） 创新研发了煤矿井下重载机械臂高精度控制技术，研制出喷浆机器人、管道安装机器人和巷道修复机器人，实现了重载机器人的人机协同- 云边协同-集群协同控制。
（3） 构建煤矿机器人群分层调度规划策略及处理过程知识图谱，基于前期创新与应用实践，创建了包含智能掘进、智能采煤、智能运输、智能安控等的“一支撑一平台六中心”的煤矿机器人应用集群。
难题攻克与解决方案
创新机器人集群协同调度平台
研发了智能化煤矿综合管控与机器人协同管理调度的一体化平台（图6），首次将煤矿机器人监控与全矿井业务一体化管理，实现全矿多源异构数据集成与跨域融合；研发应用对象化管理的机器人数据采集组件，统一不同平台及系统数据通信协议，打通机器人个体间信息交互壁垒；研发针对煤矿机器人场景的数字孪生监控系统，实现实时数据驱动的机器人模型映射与平行控制。
开发了适用于井下智能装备、移动平台和特种车辆的集群管控平台，接入煤矿所使用的各种机器人并实时监测，反映机器人实时和历史运行状态信息、操作信息、检查信息和维修信息；融合并集成GIS系统巷道地图信息、空间位置服务系统定位信息、安全监控系统环境传感器和摄像头监测信息等，可视化展现设备区域位置和实时状态信息；形成“人在回路”人机共融的机器人管控体系。
图6 机器人集中调度
辅助作业机器人关键技术实现突破
突破面向煤矿巷道低照度、场景退化条件下的煤矿机器人目标图像识别定位方法及多自由重载机械臂位姿轨迹规划控制方法，实现煤矿机器人作业自动化控制；设计研制煤矿井下多场景辅助作业机器人装备：研发自动上料、搅拌、送料一体化喷浆机器人，实现喷浆轨迹自主规划与路线跟随；研发煤矿井下抓管机器人，实现复杂工况下管道识别抓取与精准对位；研发煤矿巷道修复机器人， 实现机器人“运载平台-机械臂”协同作业耦合控制，完成自主扩帮、水沟掏槽、巷道起底、破碎等作业。
喷浆机器人实现了喷浆过程的自主化，喷射过程中，自动喷浆回弹率≤20%，浆液厚度一致性≥80%，提高喷浆作业质量，较原有作业工艺减人3—4人；管路安装机器人抓取管路直径范围80～200 mm，最大举升高度3.5 m，最大抓举质量≥0.5 t， 作业人员由5—8人减到4人以下；巷道修复机器人具有巷道变形快速检测、作业区域自动识别、作业流程自动控制等功能，并可进行多种修复工具便捷更换，可实现自主扩帮、水沟掏槽、巷道起底、破碎等操作，相较人工作业，效率可提高3倍以上。
初步形成机器人集群体系
创新智能化煤矿机器人集群管控体系，基于生产、安全、环保全流程信息融合，构建煤矿机器人群分层调度规划策略及处理过程知识图谱，构建面向矿区生产生活的八大机器人群，实现人机协同、云边协同、机器人群组协同，形成业务横向协同、流程纵向贯通的智能化煤矿机器人群管控模式，形成集群效应。经过对标梳理《煤矿机器人重点研发目录》5类38种机器人，柠条塔矿业公司涉及机器人达到30种，可发挥示范基地效应。目前，在采煤、掘进、主运输、通风系统等智能化子系统的基础上，在关键工艺、高风险、非连续作业岗位应用机器人，初步形成了采煤机器人群、掘进机器人群、主运输系统巡检机器人群、仓储和辅助输送机器人群、辅助作业机器人群、固定场所巡检机器人群、消防救援机器人群和地面服务机器人群等八大机器人集群（图7）。
图7 柠条塔矿业公司机器人集群
应用效果与推广前景
应用效果
目前，柠条塔矿业公司机器人实现了井上、井下和空中立体式集群服务的格局，覆盖五大类， 10余种，40余台/套，实现了煤矿机器人集群与生产体系的协同作业和一体化综合管控；采煤机器人群通过机器人化提升，提高了协同度，目前矿井3 个工作面均建成智能化工作面；“掘锚一体机+锚杆转载机+桥式转载机”集群作业模式，实现了快速掘进，月进尺达到1 500 m以上，建成了3个快掘系统；带式输送机巡检机器人群，采用固定+移动方式，保障了主煤流系统无人值守条件下连续稳定运行；辅助作业机器人群方面通过喷浆，抓管， 巷道清理机器人应用，累计减少作业人员20人以上，二期建设完成后将达到8种辅助作业机器人规模；智能仓储机器人群服务于智能仓储系统，与车辆调度系统的无缝衔接；固定场所巡检机器人群已实现了供电系统的常态化无人值守；地面服务机器人涵盖了从工业场地、办公楼宇到食堂宿舍，立体服务的格局，提高职工幸福感，形成了柠条靓丽风景线。
柠条塔矿业公司煤矿机器人群及协同管控的理念成为行业热点和发展方向。柠条塔智能化煤矿机器人集群研发与应用项目启动列入2021年智能化煤矿重大进展项目，引起行业广泛关注；一期项目启动列入国家矿山安全安全监察局2021年煤矿智能化建设与研发应用大事记；2022年6月，机器人集群协同调度平台和喷浆机器人入选工信部和国家矿山安全监察局煤矿机器人优秀应用场景； 2022年9月，项目通过中国煤炭工业协会鉴定，达到国际领先水平。
推广前景
随着煤矿投入机器人种类和数量的增多，对机器人集群的统一调度和管理需求越来越迫切，机器人集群协同作业研发与应用对于智能化矿井的发展具有良好的示范效应，可在同类大型矿井同类场景进行推广应用。
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